356
10 PROSTOWNIKI NIESTEROWANE I POWIELACZE
NAPI CIA
10.1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA UKAADÓW
PROSTOWNICZYCH
Zasilanie urządzeń elektrycznych w energię odbywa się za
pośrednictwem prądu zmiennego lub prądu stałego. W tym ostatnim
przypadku energia może być dostarczona z baterii zasilającej lub układu
prostowniczego, przetwarzajÄ…cego energiÄ™ prÄ…du zmiennego na energiÄ™
prądu stałego o żądanej wartości napięcia i prądu.
Proces prostowania, jak każdy proces przetwarzania energii z
przemianą częstotliwości, wymaga użycia elementów nieliniowych
spełniających funkcje jednokierunkowych zaworów prądowych. Przy
użyciu diod realizuje się układy prostownicze niesterowane, w których
wartość stałego napięcia lub prądu wyjściowego jest ustalona i nie
podlega regulacji. Za pomocą tyrystorów można zrealizować układy
prostownicze sterowane, umożliwiające ciągłą regulację napięcia lub
prądu wyjściowego, stosowane najczęściej w układach regulacji mocy.
Układy prostownicze obejmują szeroki zakres zastosowań w zakresie
mocy od kilku watów do tysięcy kW.
Układ prostowniczy składa się zazwyczaj z transformatora oraz
diod prostowniczych pełniących rolę jednokierunkowych zaworów
prądowych. Dzięki jednokierunkowemu przewodzeniu prądu przez
elementy prostownicze, wejściowy prąd przemienny o składowej
średniej równej zeru jest w układzie prostowniczym przetwarzany na
tętniący prąd jednokierunkowy o składowej średniej różnej od zera. Po
odfiltrowaniu tętnień w układzie filtracyjnym uzyskuje się w odbiorniku
energii żądaną wartość prądu i napięcia.
W zależności od liczby faz zmiennego napięcia zasilającego
wyróżniamy układy prostownicze jednofazowe i wielofazowe.
W układzie jednopołówkowym napięcie jest prostowane w ciągu
jednego półokresu każdej z faz, natomiast w układzie dwupołówkowym
- w obu półokresach. Zatem dwupołówkowy sposób prostowania można
uważać za wynik dwukrotnego zwiększenia liczby faz. Dlatego też
układ jednofazowy dwupołówkowy będzie rozważany jako dwufazowy.
W zależności od rodzaju impedancji obciążenia zmienia się kąt
przepływu przez element prostowniczy. W układach jedno i
dwufazowych z obciążeniem rezystancyjnym kąt przepływu prądu
357
wynosi 2 Ś=Ą , z obciążeniem pojemnościowym 2 Ś<Ą ,
a z obciążeniem indukcyjnym 2 Ś>Ą .
Własności prostowników opisują następujące parametry:
- współczynnik wykorzystania napięciowego (sprawność napięciowa,
skuteczność prostowania)
U
· = (10.1)
U
gdzie:
UO - składowa stała napięcia wyjściowego
U - amplituda zmiennego napięcia wejściowego.
Współczynnik wykorzystania napiÄ™ciowego ·u zależy od skÅ‚adowej
stałej prądu obciążenia poprzez zależność napięcia wyjściowego UO jak
to pokazują charakterystyki obciążeniowe, przedstawione na rys.10.1.
U
O
P
1
P2
Rys.10.1. Charakterystyki obciążeniowe
prostowników:
P1 z obciążeniem rezystancyjnym,
P2 z obciążeniem pojemnościowym
I
O
Współczynnik wykorzystania napiÄ™ciowego ·u zależy od rodzaju
obciążenia, przy czym jest większy przy małych prądach obciążenia.
- różniczkowa rezystancja wyjściowa
dUO
ro =- (10.2)
dIO
Rezystancja ta może być wyznaczona na podstawie charakterystyki
obciążeniowej.
- współczynnik tętnień
U1m
kt = (10.3)
UO
gdzie: U1m - amplituda skÅ‚adowej podstawowej tÄ™tnieÅ„ o pulsacji m É .
Zależność współczynnika tętnień od prądu obciążenia przedstawia
rys.10.2.
358
k
t
P
P
Rys.10.2. Zależność współczyn-nika
tętnień kt od prądu obcią-żenia IO
prostownika:
P1 - z obciążeniem rezystancyjnym,
P
P2 - z obciążeniem pojemnościowym,
P3 - z obciążeniem indukcyjnym
IO
Prostownik z obciążeniem pojemnościowym charakteryzuje się
małą wartością współczynnika tętnień w zakresie małych prądów
obciążenia, natomiast z obciążeniem indukcyjnym w zakresie dużych
prądów.
- współczynnik kształtu prądu
mImax
ki = (10.4)
IO
Jest to stosunek wartości maksymalnej Imax do składowej średniej
IO / m prądu płynącego przez każdą fazę. Współczynnik ten określa
wykorzystanie prądowe elementów prostowniczych i wymagania
odnośnie ich maksymalnego prądu.
- współczynnik wykorzystania prądowego (sprawność prądowa)
IO
·i = (10.5)
Is
Jest to stosunek wartości średniej IO / m prądu fazowego do wartości
skutecznej Is tego prÄ…du.
- sprawność energetyczna
2 UO IO
PO UO IO
·p = = = = 2 ·u ·i (10.6)
mPs mUs Is mUsm Is
Jest to stosunek mocy wyjściowej PO = UO IO prądu stałego do
mocy pozornej mPs = mUs Is obciążającej całe uzwojenie wtórne
transformatora.
- napięcie zwrotne UR - maksymalne napięcie na elemencie
prostowniczym w stanie nieprzewodzenia,
- prąd udarowy Iu max - maksymalny prąd płynący przez element
prostowniczy po włączeniu układu.
359
10.2. UKAADY Z OBCIŻENIEM REZYSTANCYJNYM
10.2.1. Układ jednofazowy
Najprostszym przykładem prostownika jest układ jednofazowy
(m = 1) z obciążeniem rezystancyjnym (rys.10.3).
iO,uS
u
U uS
iO
Imax
D
iO
Ä„ 2Ä„
Ét
uO
u R
S L
2Åš
R
S
Rys.10.3. Jednofazowy układ prostowniczy z obciążeniem rezystancyjnym
Zakładając, że suma rezystancji przewodzącej diody i rezystancji
strat uzwojenia wtórnego wynosi RS oraz pomijając napięcie na
przewodzącym złączu, prąd obciążenia opisuje zależność
u U sin É t
üÅ‚
i H" = dla 0 d" É t d" 2 Åš = Ä„ ôÅ‚
(10.7)
R + R R + R
żł
i = 0 dla 2 Åš = Ä„ d" É t d" 2 Ä„ôÅ‚
þÅ‚
Rozwijając zależność (10.7) w szereg Fouriera otrzymujemy
"
ëÅ‚ öÅ‚
uO 1 1 2 cos k É t
ìÅ‚
iO = = Imax + sin É t - ÷Å‚ (10.8)
"
RL Ä„ 2 Ä„ k2 - 1
íÅ‚ Å‚Å‚
k =2,4,6,...
gdzie:
U
I = (10.9)
R + R
Korzystając z zależności (10.8) można wyznaczyć parametry
rozważanego układu:
- sprawność napięciowa
360
R I / Ä„
U R I ()
· = = = =
U U U
(10.10)
1 1 1
,
= H" H" 032 dla R << R
Ä„ 1 + R / R Ä„
- współczynnik tętnień
U1m I1m Ä„
kt = = = H" 157 (10.11)
,
UO IO 2
- współczynnik kształtu prądu
mImax Imax
ki == = Ä„ (10.12)
IO IO
- sprawność prądowa
IO IO 2
·i = = = H" 064 (10.13)
,
Is 1 Ä„ 2 Ä„
d É t
( )
+"iO
2 Ä„
0
- sprawność energetyczna
PO 2 2 1
·p = = 2 ·u ·i =2 H"
Ps Ä„ 1+ RS / RL
(10.14)
2 2
H" H" 029 dla RS << RL
,
2
Ä„
- napięcie zwrotne
U = U (10.15)
- prÄ…d udarowy
U
I = I = (10.16)
R + R
Zatem układ jednopołówkowy z obciążeniem rezystancyjnym
charakteryzuje się małą sprawnością napięciową, prądową
i energetyczną oraz dużymi tętnieniami o pulsacji równej pulsacji
podstawowej É . Niekorzystne parametry sÄ… konsekwencjÄ…
( )
jednopołówkowego sposobu prostowania oraz braku filtracji tętnień
napięcia, z uwagi na rezystancyjny charakter obciążenia. Składowa stała
prądu obciążenia IO płynie przez transformator.
361
10.2.2. Układ dwufazowy
Schemat dwufazowego układu prostowniczego (jednofazowego
dwupołówkowego, m = 2 ) przedstawiono na rys.10.4.
i0,uS
-uS
uS
uS
i
O
I
max
D
i
1 i
D1 O
i
iD1 Ä„ 2Ä„ iD 2 Ét
2Åš
R
u
L
O
u
S
u
S
D
2
i
D 2
R
S
Rys.10.4. Dwufazowy układ prostowniczy z obciążeniem rezystancyjnym
W układzie tym diody przewodzą na przemian, każda przez
połowę okresu. Dioda D1 przewodzi gdy napięcie uS jest dodatnie,
zaś dioda D2 , gdy jest ujemne. Zatem prąd obciążenia dany jest
zależnością
U sin É t
üÅ‚
i = i = dla 0 d" É t d" Ä„
ôÅ‚
R + R ôÅ‚
(10.17)
żł
U sin É t
ôÅ‚
i = i = - dla Ä„ d" É t d" 2 Ä„
ôÅ‚
R + R
þÅ‚
Postępując analogicznie jak poprzednio otrzymujemy
"
ëÅ‚ öÅ‚
uO 2 4 cos k É t
ìÅ‚
iO = = Imax - ÷Å‚ (10.18)
"
RL Ä„ Ä„ k2 - 1
íÅ‚ Å‚Å‚
k =2,4,6,...
StÄ…d
2 1 2
· = H" H" 064, dla R << R (10.19)
,
Ä„ 1+ R / R Ä„
U2m 2
kt = = (10.20)
UO 3
2 Imax
ki == Ä„ (10.21)
IO
362
IO 2
·i = = H" 064 (10.22)
,
2 Is Ä„
4 2 1 4 2
·p = H" H" 057 dla RS << RL (10.23)
,
22
Ä„ 1+ RS / RL Ä„
U = 2 U (10.24)
Jak wynika z przeprowadzonej analizy parametrów,
wykorzystanie napięciowe układu dwupołówkowego jest dwukrotnie
większe w porównaniu z jednopołówkowym, tętnienia są nadal duże (ze
względu na brak filtracji), lecz ich częstotliwość jest dwukrotnie
większa. Wykorzystanie prądowe i sprawność układu są nadal małe.
Wadą układu jest konieczność stosowania symetrycznego uzwojenia
wtórnego.
10.2.3. Dwufazowy układ mostkowy
Układ mostkowy - Graetza, przedstawiony na rys.10.5,
pozbawiony jest wad jednofazowego układu dwupołówkowego.
W układzie tym dla dodatnich wartości napięcia wejściowego uS
przewodzÄ… diody D1 i D2 , a dla ujemnych - diody D3 i D4 ,
zapewniając prostowanie dwupołówkowe. Zatem prąd jest pobierany z
uzwojenia wtórnego przez cały okres, czyli transformator w układzie
Graetza jest lepiej wykorzystany niż w układzie z rys.10.4.
D D
4 1
iO
u
S
D
D
2
3
R
L uO Rys.10.5. Dwufazowy układ Graetza
Układ Graetza opisują te same zależności (10.7 - 10.23) co układ
dwufazowy, z tą różnicą, że rezystancja RS jest równa sumie rezystancji
strat uzwojenia wtórnego i rezystancji dwóch diod przewodzących,
połączonych szeregowo. Napięcie zwrotne jest równe
U = U (10.25)
363
10.3. PROSTOWNIKI Z FILTRAMI O WEJÅšCIU POJEMNOÅšCIO -
WYM
Prostowniki z obciążeniem czysto rezystancyjnym nie znajdują
praktycznego zastosowania w układach elektronicznych z powodu
dużego poziomu tętnień napięcia, bądz prądu wyjściowego.
Zmniejszenie tętnień napięcia na wyjściu układu prostowniczego można
uzyskać poprzez dołączenie filtrów wygładzających. Podstawową
częścią takiego filtru są elementy reaktancyjne w postaci pojemności lub
indukcyjności, które kosztem wcześniej zgromadzonej energii, mogą w
odpowiednich momentach podtrzymać wartość przepływającego prądu.
Ze względów aplikacyjnych, przy mocy pobieranej z wyjścia
prostownika nie przekraczającej ok. 100 W, popularniejsze są układy
pojemnościowe. W najprostszym przypadku jest to kondensator
dołączony równolegle do obciążenia prostownika.
Zasada działania prostownika z filtrem pojemnościowym zostanie
przedstawiona na przykładzie układu jednopołówkowego. Na rys.10.6
zamieszczono schemat obwodu oraz odpowiednie przebiegi czasowe.
u ,u
O S
u
O
U
t
u
S
Ét'
Ét''
Ét
D
i
i
D O
i ,i
u
R D O
C
S u
L
O
i
D
i
O
R
S
Ä„
2Ä„
Ét
Åš Åš
1 2Åš 1 2Åš
Rys.10.6. Jednofazowy układ prostowniczy z filtrem pojemnościowym: a) schemat
układu, b) przebiegi napięć i prądów w układzie
W stanie ustalonym, kiedy napięcie uS przewyższa napięcie uO
uS > uO , prąd diody płynący w przedziale czasu spełniającym
()
warunek: Åš1 d" É t d" Åš1 + 2 Åš kondensator C doÅ‚adowuje prawie do
maksymalnej wartości napięcia U ze stałą czasową RS RL C H" RS C .
( )
364
Od chwili t' speÅ‚niajÄ…cej warunek: É t'= Åš1 + 2 Åš , w której napiÄ™cia
uS i uO zrównają się uS = uO , dioda nie przewodzi prądu, co
()
powoduje, że kondensator C rozładowuje się ze stałą czasową RL C .
Proces ten trwa do momentu t'' É t''= Åš1 + 2 Ä„ ponownego
()
zrównania się napięć uS i uO , po czym kondensator jest ponownie
doładowywany.
W analogiczny sposób pracują układy dwufazowe, przedstawione
na rys.10.7. Ze względu na prostowanie dwupołówkowe proces
ładowania i rozładowania kondensatora odbywa się z pulsacją
2 É m = 2 , zatem koniec rozÅ‚adowania kondensatora przypada dla
( )
É t''= Åš1 + 2Ä„ / m (kÄ…t rozÅ‚adowania 2Ä„ / m - 2 Åš )
Przedstawione na rys.10.7b przebiegi czasowe napięć i prądów są
reprezentatywne dla prostownika o rezystancji RS bardzo małej
w porównaniu z rezystancja obciążenia RL .
D1 D1
i
D D
4 1
R uO
C
L i
D1
u
S
u
S
iD2
u
D
S D
2
3
C R uO
L
D2
i
D 2
uO
B
USm UO
uO
A
-
H"
Ét
2Åš
iD1,iD 2
Ä„ Ét
2Ä„ 3Ä„
Rys.10.7. Dwufazowe układy prostownicze z obciążeniem pojemnościowo -
rezystancyjnym: a) schematy układów, b) przebiegi prądów i napięć w prostowniku
dwupołówkowym
365
Przebieg napięcia na wyjściu prostownika można obliczyć
różnymi metodami. Ponieważ zwykle celem analizy jest tylko określenie
wartości średniej napięcia UO i wartości międzyszczytowej tętnień Ut ,
a przy tym nie jest wymagana zbyt duża dokładność, dlatego stosuje się
różnego rodzaju przybliżenia.
Najprostsze polega na zastÄ…pieniu rzeczywistego przebiegu uO
przebiegiem piłokształtnym o wartości międzyszczytowej równej
wartości międzyszczytowej tętnień Ut , nałożonym na składową stałą
równą średniej wartości napięcia wyjściowego UO , jak na rys.10.8.
Zakładając że RS << RL , proces ładowania kondensatora
przebiega w czasie dużo krótszym od czasu rozładowania, a kondensator
C ładuje się do wartości szczytowej napięcia U . Zakładając także, że
É CRL >> 1, proces Å‚adowania można uważać za liniowy, co przy
przyjętych założeniach oznacza, że przebieg napięcia wyjściowego uO
jest zbliżony do piłokształtnego, przy spełnieniu zale żności
U
U = U - (10.26)
2
Traktując proces rozładowania jako liniowy, prąd rozładowujący
kondensator ma w przybliżeniu wartość równą IR = UO / RL przy
L
Ut << UO .
StÄ…d
1 UO 2Ä„ / m 2 Ä„ UO
ëÅ‚ öÅ‚
Ut = = (10.27)
ìÅ‚ ÷Å‚
Å‚Å‚
C RL íÅ‚ É mÉ C RL
uO
U
Ut
UO
uO
- t
H" U exp
R C
0
m
Ä„ 2Ä„ 3Ä„
Ét
2
Rys.10.8. Przybliżony piłokształtny przebieg napięcia na wyjściu
dwupołówkowego układu prostowniczego z obciążeniem
pojemnościowo - rezystancyjnym
Korzystając z zależności (10.26) i (10.27) otrzymujemy
366
Ä„ U
U = U - (10.28)
mÉ C R
U 1
· = H" (10.29)
U 1 + Ä„
mÉ C R
Zależność (10.28) przedstawiona w nieco innej postaci
Ä„
U = U - I (10.30)
m É C
pokazuje wpływ prądu rezystancji obciążenia RL na napięcie wyjściowe
układu.
Rozkładając przebieg piłokształtny w szereg Fouriera, amplituda
składowej podstawowej wynosi
Ut
U1m = (10.31)
2 Ä„
Z zależności (10.27), (10.31) można obliczyć współczynnik tętnień kt
U1m 1
kt = = (10.32)
UO mÉ C RL
Napięcie zwrotne dla układu z rys.10.6 wynosi
U = U + U H" 2 U (10.33)
natomiast prąd udarowy, tj. maksymalny prąd diody tuż po włączeniu w
najbardziej niekorzystnych warunkach (tzn. przy rozładowanym
kondensatorze i włączeniu napięcia, gdy u = U )
I = U / R (10.34)
Parametr ten określa wymagania dotyczące maksymalnego prądu
użytych diod.
Przedstawiona analiza pokazuje, że układy prostownicze
z obciążeniem pojemnościowo - rezystancyjnym charakteryzują się
dobrym wykorzystaniem napięciowym (prostowanie zbliżone do
szczytowego) i małymi tętnieniami dla dużych wartości stałej czasowej
CRL . Wykorzystanie prądowe jest znacznie gorsze niż w układach
z obciążeniem rezystancyjnym.
Właściwości układów prostowniczych z obciążeniem
pojemnościowym sprawiają, że są one najczęściej stosowane w zakresie
niezbyt dużych mocy (> 100 W), przy stosunkowo du żych wartościach
napięcia i małych wartościach prądu.
367
10.4. PROSTOWNIKI Z FILTREM O WEJÅšCIU INDUKCYJNYM
Zastosowanie obciążenia o charakterze indukcyjnym umożliwia
zwiększenie kąta przepływu prądu 2 Ś i ograniczenie tętnień prądu.
Praca układu prostowniczego z obciążeniem indukcyjnym zależy od
ciągłości przepływu prądu obciążenia.
10.4.1. Układ jednofazowy
Na rys.10.9 przedstawiono schemat jednofazowego układu
prostowniczego z obciążeniem indukcyjnym.
W układzie jednofazowym ciągłość prądu obciążenia nie jest
zachowana. Dioda zaczyna przewodzić, gdy napi ęcie zasilania uS staje
się dodatnie. Prąd iO jest opózniony w stosunku do napięcia uS na
skutek indukcyjnej reaktancji obciążenia.
di
üÅ‚
ôÅ‚
i R + L = u = U sin É t dla 0 d" É t d" 2 Åš
(10.35)
żł
dt
ôÅ‚
i = 0 dla 2 Åš d" É t d" 2 Ä„
þÅ‚
gdzie: R = RL + RS
iO,uS
uS
USm
ÉL
i'O =
'
D
iO I O max RL
L
i''
O = 5
= 20
i'''O
Ä„ 2Ä„
2Åš
Ét
uS RL uO
RS
Rys.10.9. Jednofazowy układ prostowniczy z obciążeniem rezystancyjno -
indukcyjnym
Rozwiązanie równania (10.35) ma postać
USm
iO t = cosÕsin É t - Õ+ sin Õexp - {}
É t ctg Õ (10.36)
( ) ()
()
[]
R
gdzie: tg Õ = ÉL / (RS + RL) (10.37)
Kąt przepływu 2 Ś określa warunek
i 2 Åš = 0 (10.38)
( )
368
StÄ…d
sin 2 Åš - Õ + sin Õ exp 2 Åš ctg Õ = 0 (10.39)
() ( )
[]
Kąt przepływu 2 Ś zmienia się w zależności od indukcyjności w
zakresie od 2 Åš=Ä„ , dla ÉL / (RS + RL) = 0, do 2 Åš= 2 Ä„ , dla
ÉL / (RS + RL) " . Brak ciÄ…gÅ‚oÅ›ci prÄ…du w obciążeniu powoduje, że ze
wzrostem kąta przepływu 2 Ś maleje wartość maksymalna prądu IO max
oraz jego składowa IO , co powoduje, że współczynnik wykorzystania
napiÄ™ciowego ·u i sprawność energetyczna ·p malejÄ…, a tÄ™tnienia rosnÄ….
Zatem stosowanie obciążenia indukcyjnego w układzie jednofazowym
jest niecelowe, ponieważ prąd w obciążeniu jest nieciągły.
10.4.2. Układy dwufazowe
W układach dwufazowych (rys.10.10) zachowany jest warunek
ciągłości przepływu prądu.
D
i
1 i L
O
D1
D D
4 1
R u
O
L i L
D1
u
S
u
S
i
D 2
u
S D
D
2
3
R u
L 0
D
2
i
D 2
i
O
ÉL
= 0
R
L
= 1
= "
= 10
= 0,5
Ét
2Ä„
Ä„
Rys.10.10 Dwufazowe układy prostownicze z obciążeniem rezystancyjno -
indukcyjnym dla różnych wartoÅ›ci ÉL/R
Prąd iD1 diody D1 płynie w czasie ujemnego półokresu napi ęcia
uS . Jest on opózniony wzglÄ™dem napiÄ™cia uS o kÄ…t Õ , zgodnie z
zależnością (10.37). W momentach przejścia napięcia uS przez zero,
prąd obciążenia iO jest przejmowany naprzemiennie przez diody
369
D1 i D2 , co zapewnia jego ciągłość i kąt przepływu prądu 2 Ś= 2 Ą .
Ze wzrostem indukcyjności otrzymujemy stałą wartość prądu
obciążenia, przy niewielkich amplitudach składowych zmiennych.
W miarę wzrostu indukcyjności przebiegi prądów obu diod zbliżają się
do przebiegów prostokątnych.
Układy z obciążeniem rezystancyjno - indukcyjnym wykazuj ą
maÅ‚e tÄ™tnienia i bardzo dobre wykorzystanie pr Ä…dowe ·i , przy nieco
gorszym wykorzystaniu napięciowym. Własności filtracyjne układów
polepszają się ze wzrostem prądu obciążenia i dlatego są najczęściej
stosowane w zasilaczach dużej mocy.
10.5. UKAADY PROSTOWNICZE Z FILTREM INDUKCYJNO -
POJEMNOÅšCIOWYM
Polepszenie filtracji układu z obciążeniem rezystancyjno -
pojemnościowym uzyskuje się przy zmniejszeniu prądu obciążenia IO ,
w przeciwieństwie do układu z obciążeniem rezystancyjno -
indukcyjnym, w którym polepszenie filtracji uzyskuje si ę dla większego
prądu obciążenia. Zastosowanie w układach prostowników filtrów
indukcyjno - pojemnościowych (niekiedy w postaci kilku ogniw filtru
LC) skutkuje znacznym polepszeniem filtracji t ętnień. Przebiegi
czasowe napięć i prądów w dwufazowym układzie prostowniczym z
filtrem wygładzającym LC przedstawiono na rys.10.11.
D
1 iD1 L
i
L
u
u
RL u
C O
uS i
L
uS
D
2 2Åš <
L L
É
kr t
iD 2 u
i
L
·
u
1
R É
t
L
= =
L L
kr
u
3É
i
2 /Ä„
L
I
O
É
> t
L L
kr
0
L L
kr
Rys.10.11. Dwufazowy układ prostowniczy z filtrem LC
370
Dla małej indukcyjności układ pracuje jak prostownik z obciążeniem
pojemnościowym, przy małym kącie przepływu 2 Ś .
W miarę wzrostu indukcyjności kąt przepływu rośnie i dla L = Lkr prąd
obciążenia iO staje się ciągły (2 Ś= 2 Ą ). Dalszy wzrost indukcyjności
powoduje, że własności układu zbliżają się do prostownika z
obciążeniem indukcyjnym o lepszej filtracji tętnień dzięki działaniu
pojemności.
10.6. PORÓWNANIE WAASNOŚCI UKAADÓW
PROSTOWNICZYCH
Na rys.10.12 dokonano graficznego porównania parametrów
dwufazowych układów prostowniczych z ró żnymi filtrami
wygładzającymi.
Układy prostownicze z filtrem o wejściu pojemnościowym
wykazują dobre wykorzystanie napięciowe w zakresie małych mocy
i małych prądów (prostowanie bliskie szczytowemu) oraz małe t ętnienia.
Ich parametry prądowe (współczynnik wykorzystania pr ądowego,
współczynnik kształtu prądu i prąd udarowy) są niekorzystne, co
powoduje słabe wykorzystanie transformatora sieciowego i diod.
Praktycznie, układy te stosuje się jako układy małej mocy, o stosunkowo
dużym napięciu i małym prądzie.
Układy prostownicze z filtrem o wejściu indukcyjnym mają
własności przeciwne. Wykorzystanie napięciowe tych układów jest
mniejsze niż w układach z obciążeniem pojemnościowym (prostowanie
średnie) i nie zależy od prądu obciążenia.
·u kt ·u ki
1 m = 2 1 100 m = 2
·uc
·iL
1/ 2
2 /Ä„
2 /Ä„
·uR,·uL
·iR ·iC
0,5 1 0,5 Ä„
C
ktR
2/ 3
R
ki
L
}
ktC
1
ktL
ktLC
0 0
Io Io
Rys.10.12. Porównanie charakterystyk różnych układów prostowniczych
Układy te wykazują małe tętnienia i dobre wykorzystanie prądowe w
zakresie dużych prądów obciążenia, a zatem nadają się szczególnie do
371
zastosowania w układach dużej mocy, przy dużych wartościach prądu
obciążenia. Ich słabe własności filtracyjne w zakresie małych wartości
prądu obciążenia można poprawić stosując filtry mieszane LC. Wóczas
współczynnik tętnień jest mały i w zasadzie nie zależy od prądu
obciążenia.
10.7. POWIELACZE NAPICIA
Powielanie napięcia jest możliwe przy zastosowaniu układów
prostowniczych z obciążeniem pojemnościowym. Oddzielne układy
prostownicze obciążone pojemnościowo wytwarzają na kondensatorach
napięcia, które sumują się w obwodzie obciążenia powodując
zwielokrotnienie napięcia wyjściowego.
a) Symetryczny podwajacz napięcia
Najprostszym powielaczem napięcia jest symetryczny podwajacz
napięcia (rys.10.13).
iD1,uC1
uC1
USm
Är
iD1 uS
Ä„ 2Ä„
2Åš
Ét
D
iD1 iO
iD 2,uC 2
uC 2
USm
uS
uC1 C1 = C
Är
uS
RL uO iD 2
uC 2 C2 = C
2Åš
Ét
iD 2
uO
uO = uC1 + uC2
Ä„
Ä„ Ét
Rys.10.13. Symetryczny podwajacz napięcia
W stanie ustalonym, gdy napięcie zasilające uS jest dodatnie,
pojemność C1 doÅ‚adowuje siÄ™ ze staÅ‚Ä… czasowÄ… Ä = RS C1 przez diodÄ™
s
D1 wskutek przepływu prądu iD1 . Następnie, gdy prąd iD1 zanika,
372
pojemność C1 rozładowuje się przez rezystancję obciążenia RL i
pojemność drugiego układu prostowniczego C2 ze stałą czasową
C C R C
Ä = R = , dla C = C = C (10.39)
C + C 2
W półokresie ujemnego napięcia zasilającego uS , analogicznie jak
poprzednio, doładowuje się pojemność C2 wskutek przepływu prądu
iD2 , a następnie rozładowuje się przez rezystancję obciążenia RL i
pojemność pierwszego ukÅ‚adu prostowniczego C1 ze staÅ‚Ä… czasowÄ… Ä .
r
Napięcie wyjściowe uO jest sumą napięć uC1 i uC2 , jest więc bliskie
2 U i zawiera tÄ™tnienia o pulsacji 2 É .
b) Niesymetryczny podwajacz napięcia
Układ niesymetrycznego podwajacza napi ęcia przedstawiono na
rys.10.14.
i,u
uC2 = uO
C1
D2 iD 2
uC1 iD1
Usm - uS uS
uC1
uS D1 C2
uC 2 = u0
uS
iD1
iD1 iD 2 iD 2
2Åš1 2Åš2
2Åš1
2Åš2 Ét
Rys.10.14. Niesymetryczny podwajacz napięcia
W stanie ustalonym, w półokresie ujemnego napi ęcia zasilająćego
C1
uS , pojemność ładuje się ze stałą czasową
Ä = C1 RS (10.40)
s1
prądem iD1 do wartości bliskiej szczytowej U . Gdy prąd iD1 zanika, po
zakończeniu ładowania pojemności C1, dioda D1 ulega zatkaniu
i pojemność C1 nie może się rozładować, dopóki nie zacznie przewodzić
dioda D2 , powodując doładowanie kondensatora C2 do wartości bliskiej
U + U H" 2 U ze stałą czasową
C1 C2 1
Ä = RS RL H" CRS dla C1 = C2 = C, RS << RL (10.41)
( )
s2
C1 + C2 2
Gdy proces ładowania pojemności C2 (i rozładowania pojemności C1
Ä = Ä ) koÅ„czy siÄ™, dioda D2 przestaje przewodzić i rozpoczyna siÄ™
r1 s2
rozÅ‚adowanie pojemnoÅ›ci C2 ze staÅ‚Ä… czasowÄ… Ä .
r2
373
Ä = C2 RL (10.42)
r2
Niesymetryczny podwajacz napięcia w porównaniu z układem
symetrycznym, charakteryzuje się większymi tętnieniami o dwukrotnie
większej pulsacji podstawowej, większą zależnością napięcia
wyjściowego od prądu obciążenia i bardziej nierównomiernym
obciążeniem diod i pojemności. Natomiast jego zaletą jest istnienie
wspólnego zacisku napięcia zasilania i obciążenia RL . W obu
przypadkach powielaczy napięcia, prąd obciążenia praktycznie nie
przekracza dziesiątków mA.
c) Powielacze wielokrotne
uS
uS
Rys.10.15. Wielokrotne powielacze napięcia: a) niesymetryczne; b) symetryczne
Dodanie dalszych sekcji umożliwia zwiększenie krotności
powielania, przy czym układy takie mog ą mieć strukturę niesymetryczną
lub symetrycznÄ… (rys.10.15).
W praktyce krotność powielacza jest ograniczona do 10, dla
maÅ‚ych prÄ…dów, i do kilkudziesiÄ™ciu, dla prÄ…dów obciążenia rzÄ™du µ A.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
prostowniki niesterowaneSKRYPT BADANIE PROSTOWNIKÓW TRÓJFAZOWYCH NIESTEROWANYCH10 1 rdzeń prostokątWSM 10 52 pl(1)VA US Top 40 Singles Chart 2015 10 10 Debuts Top 100więcej podobnych podstron